Интерферометр для определения показателя преломления инфракрасной поверхностной электромагнитной волны

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) инфракрасного (ИК) диапазона, а также для исследования переходного слоя на поверхности таких тел и в оптических сенсорных устройствах [1].

Известен метод фазовой спектроскопии поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности ПЭВ, реализуемый с помощью двулучевого интерферометра, в котором свет в одном из плеч распространяется в форме объемной волны, а в другом - в форме ППП, направляемых плоской гранью проводящего образца [2].

Такой ППП-интерферометр содержит источник ИК монохроматического излучения, фокусирующий объектив, проводящий образец с плоской гранью, имеющей прямоугольное ребро, металлический экран, удаленный от ребра на сравнимое с длиной распространения ППП расстояние и размещенный над гранью таким образом, что его край, обращенный к грани, удален от нее на расстояние равное глубине проникновения поля ППП в окружающую среду, линейку фотодетекторов, размещенную в плоскости падения излучения над плоскостью грани в дальней волновой зоне ребра, и, сопряженное с линейкой устройство обработки информации.

Излучение источника, дифрагируя на крае экрана, преобразуется с некоторой эффективностью в ППП и набор объемных волн, распространяющихся в окружающей среде под различными углами к поверхности грани образца. ППП проходят расстояние, отделяющее экран от ребра образца и, дифрагируя на нем, преобразуются в объемную волну, излучаемую под некоторым углом к плоскости грани в окружающую среду [3]. Волны, исходящие от края экрана и ребра образца, взаимодействуют друг с другом и формируют интерферограмму, регистрируемую линейкой детекторов и анализируемую устройством обработки информации. Анализ двух интерферограмм, полученных при различных расстояниях пробега ППП по образцу, позволяет определить как вещественную κ', так и мнимую κ'' части комплексного показателя преломления κ=κ'+i⋅κ'' ИК ППП.

Основным недостатком известного интерферометра является низкая точность определения κ' по координатам экстремумов интерферограммы. Этот недостаток объясняется тем, что: 1) диаграмма направленности объемного излучения, порождаемого на крае экрана, имеет, в значительной степени, случайный характер. В частности, перемещение экрана вдоль трека ППП искажает диаграмму, что приводит к большой погрешности определения координат экстремумов интерферограммы; 2) скачок фазы, возникающий при срыве ППП с ребра образца, зависит от пройденного ими расстояния. Поэтому, точность определения κ' не превышает 10^-2, в то время как отличие значения κ' от единицы для ИК ППП меньше чем 10^-2.

Известен плазмонный спектрометр (интерферометр) терагерцового (ТГц) диапазона для определения диэлектрической проницаемости проводящих материалов, содержащий перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения с отличной от нуля р-составляющей, лучеразделитель, расщепляющий излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ППП, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ППП в объемное излучение, непрозрачную заслонку, перекрывающую реперный пучок при регистрации интенсивности излучения измерительного пучка, лучеразделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, регулируемый компенсатор, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство [4].

Как и устройство [2], этот интерферометр является двулучевым, в одном из плеч которого излучение часть пути существует в форме ППП, но в нем подвижным является элемент преобразования ППП в объемную волну, разделение излучения источника осуществляется плоскопараллельной пластинкой, а для определения набега фазы при изменении длины пробега ППП служит регулируемый компенсатор.

Основным недостатком известного устройства является низкая точность определения показателя преломления ППП, что обусловлено: во-первых, наличием фонового излучения, возникающего в результате дифракции излучения источника на элементе преобразования и создающего паразитные помехи на фотоприемнике; во-вторых, длину распространения ППП L, необходимую для определения κ'', определяют по интенсивности ППП, измеренной всего в двух точках трека (точность определения L, а значит и κ'', пропорциональна числу измерений интенсивности ППП в различных точках трека); в-третьих, невозможностью осуществлять регулирование интенсивности реперного пучка, а следовательно, и контраста интерференционной картины.

Известен плазмонный спектрометр (представляющий собой двулучевой интерферометр) ТГц диапазона для исследования проводящей поверхности, в котором интерферограмму получают в параллельных пучках объемных волн, одна из которых порождена ППП на перемещаемом вдоль их трека наклонном плоском зеркале [5].

Спектрометр содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, светоделитель в виде плоскопараллельной пластинки, расщепляющий пучок излучения источника на измерительный и реперный пучки, элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ППП, твердотельный проводящий образец, имеющий две плоские смежные грани, на одной из которых размещен элемент преобразования излучения источника в ППП, а на другой - элемент преобразования ППП в объемную волну, выполненный в виде перемещаемого вдоль трека наклонного плоского зеркала, заслонку, перекрывающую реперный пучок, регулируемый поглотитель реперного пучка, неподвижное плоское зеркало, светоделитель, совмещающий пучки, фокусирующий объектив и фотоприемник.

Основными недостатками известного устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью постепенного перемещения наклонного зеркала вдоль трека на расстояние, сравнимое с длиной распространения ППП; 2) наличие паразитной засветки фотоприемника объемными волнами, излучаемыми с ребра, сопрягающего грани образца, и с трека ППП [6]; 3) низкая точность определения κ', что объясняется большим изменением контраста интерферограммы вследствие значительного изменения интенсивности измерительного пучка по мере продвижения наклонного зеркала.

Известен амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр, предназначенный для определения комплексного показателя преломления ИК ППП и фактический представляющий собой двулучевой интерферометр, в котором излучение в одном из плеч часть пути существует в форме ППП [7].

Спектрометр содержит перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ППП, твердотельный образец с плоской гранью, неподвижный экран, установленный над треком ППП так, что его край отстоит от грани на расстояние, не превышающее глубину проникновения поля ППП в окружающую среду, и фотоприемник, установленный на перемещаемой вдоль трека платформе и подключенный к устройству обработки информации.

Как и в устройстве [2], разделение излучения на два пучка происходит при его дифракции на крае экрана, что и обуславливает основной недостаток устройства [7] - низкую точность измерений из-за паразитных засветок приемника объемными волнами, исходящими от элемента преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является статический двулучевой интерферометр для определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, в котором излучение в обоих плечах существует в форме сходящихся под небольшим углом пучков ПЭВ, а интерферограмма образуется в плоскости направляющей ПЭВ грани образца [8].

Интерферометр содержит источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, твердотельный образец с плоской гранью, способной направлять ПЭВ, уголковое зеркало, расщепляющее исходный пучок ПЭВ на два новых когерентных пучка, четыре зеркала, отражающие пучки ПЭВ в плечах интерферометра, второе уголковое зеркало, сбивающее оба пучка ПЭВ, линейку фотодетекторов, размещенную в плоскости грани образца и устройство обработки информации; причем все зеркала установлены на поверхности грани образца и ориентированы перпендикулярно ей.

Основными недостатками известного устройства являются сложность его схемы и процедуры обработки результатов измерений.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача упрощения как схемы интерферометра для определения комплексного показателя преломления ИК ПЭВ, так и процедуры обработки результатов измерений.

Суть изобретения заключается в том, что известный статический интерферометр, предназначенный для определения показателя преломления монохроматической ИК ПЭВ, содержащий источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, твердотельный образец с плоской гранью, способной направлять ПЭВ, делитель пучка ПЭВ, плоское зеркало, примыкающее своим ребром к направляющей ПЭВ грани, ориентированное перпендикулярно к ней и пересекающее трек ПЭВ, линейку фотоприемников, размещенную в плоскости грани, и устройство обработки информации, согласно изобретению дополнительно содержит заслонку, позволяющую поочередно перекрывать интерферирующие вторичные пучки ПЭВ, а делитель выполнен в виде полупрозрачной плоскопараллельной пластинки, примыкающей своим ребром к грани образца, ориентированной перпендикулярно к ней и пересекающей трек ПЭВ.

Упрощение схемы интерферометра достигается путем исключения из нее двух уголковых и трех плоских зеркал. В новой схеме расщепление исходного пучка ПЭВ на два новых реализуется не уголковым зеркалом, а полупрозрачной плоскопараллельной пластинкой, установленной на направляющей ПЭВ поверхности и ориентированной перпендикулярно к ней.

Упрощение процедуры обработки результатов измерений является следствием возможности расчета мнимой части κ'' показателя преломления ПЭВ по распределениям интенсивности на линейке фотоприемников каждого из интерферирующих пучков в отдельности (измеренным при блокировании другого пучка введенной в схему заслонкой), что позволяет не только получить расчетную формулу в явном виде, но и применить ее многократно к различным точкам интерферограммы с целью повышения точности определения κ''.

На Рис. 1 приведена схема (вид сверху) заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного р-поляризованного (относительно плоской грани образца) монохроматического ИК излучения; 2 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ; 3 - плоская грань образца, способная направлять ПЭВ; 4 - полупрозрачная плоскопараллельная пластинка, ориентированная под углом γ относительно падающего на нее пучка ПЭВ, а также характеризуемая применительно к ПЭВ коэффициентом отражения k_отр и коэффициентом пропуская k_пр; 5 - плоское зеркало, ориентированное под углом β<γ относительно падающего на нее пучка ПЭВ; 6 - линейка фотоприемников, расположенная в плоскости грани 3; 7 - устройство обработки информации; 8 - поворотная заслонка с осью, перпендикулярной грани 3, которая позволяет поочередно перекрывать интерферирующие пучки ПЭВ.

На Рис. 2 приведена интерферограмма, регистрируемая линейкой приемников 6 в примере, иллюстрирующем работу заявляемого устройства.

На Рис. 3 приведены зависимости относительных интенсивностей интерферирующих пучков ПЭВ от абсциссы x их лучей, падающих на линейку приемников 6, в примере, иллюстрирующем работу заявляемого устройства.

Интерферометр работает следующим образом.

Излучение источника 1 с длиной волны λ_o направляют на элемент 2, преобразующий с некоторой эффективностью объемное излучение в ПЭВ. Коллимированный пучок ПЭВ, распространяется по грани образца 3 и падает на пластинку 4, которая расщепляет исходный пучок на два вторичных [9]. Прошедший сквозь пластинку 4 пучок падает на зеркало 5 и отражается им [10] на линейку фотоприемников 6, где он взаимодействует с другим вторичным пучком, отраженным пластинкой 4. В результате взаимодействия пучков формируется регистрируемая линейкой 6 интерферограмма. Электрические сигналы с пикселей линейки 6 поступают на устройство 7, которое по ним в двух максимумах интерферограммы и координатам пикселей рассчитывает вещественную часть κ' показателя преломления ПЭВ:

где m - число периодов между рассматриваемыми максимумами интерферограммы; ΔS_j и ΔS_j+m - геометрические разности хода соответствующих лучей интерферирующих пучков в j-ом и (j+m)-ом максимумах; ΔS_j=(S₁)_j-(S₂)_j, где индексы 1 и 2 соответствуют отраженным зеркалом 5 и пластинкой 4 пучкам ПЭВ; (S₁)_j и (S₂)_j - расстояния, проходимые соответствующими лучами пучков 1, 2 и рассчитываемые по формулам:

;

;

l_j=l_o+Δl_j=l_o+x_j⋅tg(β) и h_j=h_o+Δh_j=h_o+x_j⋅tg(γ) - расстояния, проходимые j-м лучом от элемента 2 до зеркала 5 и пластинки 4, соответственно; l_o и h_o - наименьшие расстояния, отделяющие зеркало 5 и пластинку 4 от элемента 2, соответственно; x_j - абсцисса j-го луча пучка ПЭВ на элементе 2, рассчитываемая по формуле: x_j=x_jиин⋅cos(2β)-l_o⋅sin(2β), где x_jинт - координата этого же луча на линейке 6. Отметим, что формула (1) может быть применена многократно при обработке данной интерферограммы (для различных сочетаний j и (j+m) максимумов) с целью нахождения среднего значения κ' и повышения точности его определения.

Значение мнимой части показателя преломления ПЭВ κ'' также можно определить по интерферограмме, как это предложено делать в устройстве-прототипе, а именно - решив нелинейное уравнение, описывающее зависимость результирующей интенсивности от координаты x относительно κ''. Однако мы предлагаем приборное решение данной проблемы, значительно упрощающее обработку результатов измерений и состоящее в том, чтобы измерить распределения интенсивности I₁(x) и I₂(x) на линейке 6 каждого из интерферирующих пучков в отдельности, перекрывая другой пучок заслонкой 8. Тогда, зная абсциссы x_инт пикселей линейки 6 и интенсивности пучков I₁, I₂ в местах расположения этих пикселей, величину κ'' можно рассчитать по формуле:

где k_o=2π/λ_o, l=l_o+x⋅tg(β), h=h_o+x⋅tg(γ), х=х_инт⋅cos(2β)-l_o⋅sin(2β). Как и в случае определения κ', многократный расчет κ'' с целью нахождения его среднего значения способствует повышению точности определения искомой величины. Отметим, что изложенная методика определения κ'' фактически воспроизводит известную «двухпризменную» методику определения длины распространения ПЭВ L=(2k_oκ'')^-1, в которой соотносят натуральный логарифм отношения интенсивностей ПЭВ, прошедшей различные расстояния, к разности этих расстояний [11].

В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность определения показателя преломления ПЭВ, генерируемой излучением с λ=130 мкм на размещенной в вакууме плоской поверхности золотого образца, содержащей тонкослойное ZnS-покрытие толщиной 0.5 мкм. Для этого выберем образец, имеющий плоскую грань размером 10×5 см², элемент преобразования 2 - с выпуклой цилиндрической поверхностью [6], пластинку из высокоомного кремния с показателем преломления равным 3.5 в качестве светоделителя 4. Ширину пучка излучения источника 1 положим равной 10 мм, расстояния l_o=80 мм, h_o=50 мм, х_о=30 мм, коэффициент отражения пластинкой 4 ПЭВ положим k_отр=0.3, а коэффициент пропускания ею ПЭВ k_пр=0.6. Чтобы интерферирующие пучки ПЭВ пересеклись на линейке 6, при выбранных значениях l_o, h_o и х_o, углы отклонения нормалей к отражающим граням пластинки 4 и зеркала 5 от трека ПЭВ должны быть равны β=10°17', γ=15°29', соответственно. Регистрацию интерферограммы будем осуществлять линейкой микроболометров ТГц излучения, содержащей 320 пикселей размером 51 мкм каждый с общей протяженностью 16.32 мм [12].

На Рис. 2 приведена интерферограмма, наблюдаемая в этом случае на линейке 6 при условии одинаковой интенсивности излучения по поперечному сечению пучка источника 1 и с учетом одинаковых фазовых сдвигов для всех лучей ПЭВ на пластике 4 и зеркале 5. Для расчета κ' рассмотрим 1-й и 17-й максимумы; на линейке 6 они имеют координаты x_1инт=30.41 мм и х_{17 инт}=40.23 мм. Подставив значения l_o, h_o, х_o, λ_o, β, γ, k_пр, k_отр, х_1инт, x_17инт в формулу (1), и полагая m=16, получим: κ'=1.005.

Для определения κ'' выберем на интерферограмме точку (пиксель на линейке 6) с абсциссой х_инт=36.0 мм. Перекрывая задвижкой 8 интерферирующие пучки ПЭВ, установим, что в этой точке относительные интенсивности пучков I₁/I_о=0.0322 и I₂/I_о=0.0205 (I_o - интенсивность пучка ПЭВ на выходе элемента преобразования 2) (см. Рис. 3). Тогда, подставив в формулу (2) значения l_o, h_о, х_o, λ_о, β, γ, k_пр, k_отр, х_инт, I₁/I_o и I₂/I_o, получим, что κ''=0.02 мм^-1.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет упростить как схему интерферометра для определения комплексного показателя преломления ИК ПЭВ, так и процедуру обработки результатов измерений без понижения их точности при прочих равных условиях.

Источники информации

1. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer, 2007. - 223 p.

2. Алиева E.B., Жижин Г.Н., Кузик Л.А., Яковлев В.А. Исследование кристаллов в ИК-области методом спектроскопии ПЭВ // Физика твердого тела, 1998, т. 40, №2, с. 237-241.

3. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA(B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190.

4. Жижин Г.Н., Никитин A.K., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение №2263923. - Бюл. №31 от 10.XI.2005 г.

5. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазмонный спектрометр ТГц диапазона для исследования проводящей поверхности // Патент РФ на изобретение №2318192. - Бюл. №6 от 27.02.2008 г.

6. Gerasimov V.V., Knyazev В.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating // JOSA(B), 2016, v. 33, Is. 11, p. 2196-2203.

7. Никитин A.K., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Князев Б.А., Хитров О.В. Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр // Патент РФ на изобретение №2477841. - Бюл. №8 от 20.03.2013 г.

8. Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К., Хитров О.В. Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасной области спектра // Патент РФ на изобретение №2372591. - Бюл. №31 от 10.11.2009 г. (прототип)

9. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., and Zhizhin G.N. Reflection of terahertz surface plasmons from plane mirrors and transparent plates // Proc. 41-st Intern. Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THZ2016), Copenhagen, 25-30 Sept., 2016, Paper H3D.2. (ISBN 978-1-4673-8485-8). - http://www.irmmw-thz2016.org/

10. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т. 47 (1), с. 65-70.

11. Schoenwald J., Burstein Е., and Elson J.M. Propagation of surface polaritons over macroscopic distances at optical frequencies // Solid State Communications, 1973, v. 12, No. 3, p. 185-189.

12. Демьяненко M.A., Есаев Д.Г., Овсюк B.H., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для инфракрасного и терагерцового диапазонов // Оптический журнал, 2009, т. 76, Вып. 12, с. 5-11.